為何說引力雖然是基本力中最弱的?但它能夠維持巨大星系的結構!

2020-11-22 騰訊網

以下幾種情景是我們時常遇到的，你坐在一輛行駛在崎嶇山路上顛簸的客車之中，一定渴望找到一個舒服的體位緩解睏乏的肢體；如果想要搬運重物上樓，你更願意找到電梯；運動員為了贏得比賽，期望能夠跳得高一點、跑得更快一些，或者期望將標槍投擲得更遠，為此他不得不拼盡全力對抗地球的引力，這些日常經驗全都是因為地球引力場產生的作用。我們再從更為宏觀方面想像，地球和其他行星圍繞著太陽運轉，這是太陽巨大的引力維繫著太陽系運行，銀河系中至少有2到4千億顆像太陽一樣的恆星，都是圍繞銀河系中央巨型黑洞產生的引力場轉動。其它的星系、類星體等也是如此，一想到這樣的情景，似乎我們很難相信在四個基本力中引力是最微弱的事實。

然而一個相反的情況是，雖然地球的直徑達到13000多公裡，地球產生的引力場使我們安享地表之上的生活，但你可以用1.3cm的磁鐵能夠輕易地對付地球引力,吸起1.3cm甚至更長的鐵釘，可見電磁力對抗引力綽綽有餘，引力在其它三種基本力面前可以說非常微弱，看來引力的確難以抗衡其他的三種基本力。

在物理學的範疇中，從對各種基本力的強度進行衡量和評價來分析，引力產生的相互作用在粒子物理學領域實在微弱可憐，以至於粒子物理學家在研究粒子之間的作用關係時，只會考慮電磁力、弱核力以及強核力的作用，而引力對於粒子之間的作用力微弱到忽略不計的程度。從原子的層面來說，原子核帶有正電荷，靜電產生的電磁力吸引著帶負電荷的電子，從而維持著原子的物質特性。但是，原子核與電子均為實體粒子，嚴格地講它們之間也存在著非常微弱引力，雖然引力微弱但同樣遵從距離平方反比規律，原子核佔原子質量的99.975%以上，電子只佔到不足0.025%，如果我們設想原子僅以引力維繫，那麼原子的直徑就不是現在這麼微小了，也許一個僅以引力維繫的原子比我們可以探測到的宇宙可視範圍大出許多倍！這真是難以想像，如果我們的宇宙之中引力是宇宙的唯一主宰力量，而沒有其餘的三種基本力存在的話，那麼原本多姿多彩的宇宙會是什麼模樣？

目前物理學的一切理論均被看作某種理論模型，被科學界普遍接受和認同的稱為標準模型，而追求標準模型的簡潔、對稱和美，應該是物理學研究的重要思路。現行的標準模型可以解釋一些物理現象、預測某些未知領域，並且得到部分實驗結果的驗證，但標準模型還有一些瑕疵和缺陷，顯然現行的標準模型還不能達到完全詮釋宇宙運行的程度。我們知道目前對於引力最精確的描述是愛因斯坦的廣義相對論，而牛頓的萬有引力理論只是廣義相對論中的一個特例。廣義相對論是目前描述引力的標準模型，但是對於宇宙擴張之初等極為強大的引力場則不太適用，因為質量和能量趨於無限大時，其所在的空間曲率也會趨於無限大！

在微觀粒子世界中的引力是可以忽略不計的，但對於粒子的研究使用了不同的標準模型，比如粒子速度的增加，其能量亦會增大時，研究人員就會使用相對量子場論進行詮釋；粒子的電磁力由量子電動力學描述；強核力則使用量子色動力學來精確解釋。

引力的作用範圍具有超距特性，引力至少可以波及數十萬光年的距離，引力雖然微弱，但它是將你安然穩定在地球表面、奔向太空必須克服的負載、維持月球繞地球旋轉、地球圍繞太陽旋轉和保持銀河系恆星結構完整的基本力（在這裡應該涉及到暗物質產生的引力作用）。假如我們將引力作為參照標準來度量其他三種基本力，將引力視為1個單位，那麼其他三個基本力與引力相比會有多大的作用強度呢？作用力強度遞增的關係依次為：

1、弱核力：也就是核裂變釋放的能量，參與放射性衰變，僅在原子核的範圍內產生作用，作用距離只能達到原子核直徑的距離。原子彈是依據中子誘發核裂變的原理產生作用，核裂變物質損失千分之一的質量，便會釋放出數十萬噸TNT爆炸產生的能量，弱核力的作用強度約為引力的百萬億億億倍左右。

2、電磁力：維持原子的物質屬性，將原子結合為分子，以及形成我們可見的常規物質。例如氯元素和鈉元素是劇毒或者極不穩定的，但是在電磁力的作用下形成食鹽，成為穩定而無害的必需品；在常溫狀態時氧和氫形成的分子都是氣體，在電磁力的作用下成為水，例如燃燒氫、氧的混合氣體就會形成水，但是你要破壞電磁力形成的化學鍵則非常困難。液態水是地球生物存在和生存的基礎，對於地球生物來講，水可以形成有機體內部進行物質交換和生化反應的液體環境，我們人類在日常生活中還需要食鹽中的氯元素生產胃酸幫助消化，需要鈉、鉀離子維持細胞膜電位的電生理活動等等。電磁力通常還以電磁波的形式輻射，包括微波、無線電波、可見光、X光和能量強大的γ射線，電磁力的作用強度比弱核力更強，甚至是弱核力的1百億倍之多。

3、強核力：這是我們人類已經掌握的最強大力量，強核力可以壓制所有其他的基本力，不僅將質子和中子緊緊地捆在一起形成原子核，甚至作用在亞粒子膠子的層面上，強核力同弱核力一樣僅在原子核範圍內產生作用，作用距離小於原子核直徑的距離。氫彈就是利用核聚變原理製造的熱核武器，聚變的初始條件必須達到極高的溫度和壓力，才能使聚變物質釋放出強核力，因此核聚變的初始條件非常嚴苛，故而使用小型的原子彈作為氫彈的起爆雷管，從而引發核聚變釋放出強核力。一般聚變物質會損失千分之三的質量，這部分損失的質量會轉變為能量釋放出來，僅僅千分之三的質能轉化，就可以達到數百萬噸TNT爆炸產生的能量，這就是氫彈具有強大破壞力的根源所在。強核力是四種基本力中最強的，強核力的作用強度大約是電磁力的數百倍以上。

本文系作者原創，本文的素材來源於《從混沌到有序—妙不可言的宇宙》一書。

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    ：強力、弱力、電磁力和萬有引力。強力和弱力起作用的尺度很小，只在原子核內部起作用。距離只要稍遠一點，這兩種力就會衰減得無影無蹤，因此在宏觀世界無法感受到它們的影響。電磁力跟強力和弱力一樣，在微觀世界發揮作用。但是它的作用範圍比強力、弱力稍遠一些，主要發生在原子核與電子之間。
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    引力雖然是四種基本作用力中最弱的，但是引力的作用範圍無限遠，而且可以無限疊加，這使得引力控制著宇宙中大尺度的宏觀物質運動。四種基本力在物理學中，物質間的相互作用可以解釋一切和物質有關的物理現象，目前人類一共發現了四種相互作用，或者說是基本力，它們分別是：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和萬有引力相互作用。
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  • 你了解自然界的四種基本力嗎?主宰宇宙中發生的一切
    儘管看上去花樣繁多，但我們日常經歷的所有力都可以歸結成四種基本力：引力、弱力、電磁力、以及強核力。這些便是自然界的四種基本作用力，宇宙中發生的一切都由它們主宰。雖然引力能夠將行星、恆星、太陽系、甚至星系維繫在一起，但它實際上是最弱的一種基本力，在分子和原子尺度上尤其微弱。你可以這樣理解：從地上拿起一個球、或者抬起一隻腳、或者跳幾下到底有多難？這些動作都是在與整個地球的引力相對抗。在分子和原子尺度上，相比其它幾種基本力，引力的影響可以說微乎其微。
  • 四種作用力中引力最弱,為何能坍縮出黑洞這樣的極端天體?
    宇宙中的四大基本力在我們的生活中每做一件事，都會產生力的相互作用，例如你拿起水杯喝水的過程，在經典力學看來，你給水杯提供了一個向上的力，改變了水杯靜止的初始狀態。不過我們平時所說的推力、提升力、摩擦力並不是宇宙的基本力，而是電磁力的一種表現形式。
  • 普林斯頓大學物理系學霸對四種基本力的介紹
    >我們每天經歷的所有力都可以歸結為四個基本的力：引力、弱核力、強核力和電磁力，它們支配著宇宙中發生的一切。引力可能是我們最直觀、最熟悉的基本力，但它也是最難解釋的力之一。艾薩克·牛頓是第一個提出萬有引力的人，據說他的靈感來自於一個從樹上掉下來的蘋果。他把引力描述為兩個物體之間的吸引力。幾個世紀後，阿爾伯特·愛因斯坦通過他的廣義相對論提出，引力不是一種力。相反，它是物體彎曲時空的結果。
  • 關於引力為什麼這麼弱,這個比喻讓人啼笑皆非又腦洞大開
    在當代物理學中，物理學家們用四種力來描述宇宙中物質間的相互作用，引力就是其中的一種。相較於其他三種力，引力的強度非常弱，簡直弱爆了。電磁力、強核力和弱核力三者之間雖然也存在強弱差異，但是在引力面前，這三種力可以算得上是肌肉發達的超級英雄。
  • 宇宙存在的規則——萬有引力、電磁力、弱力和強力四種基本力
    目前研究結論認為：宇宙中只有四種基本力，分別是萬有引力、電磁力、弱力和強力，這四種力構成了宇宙的基本形態和發展，宇宙的千變萬化是由這四種力操縱的。但是人類還是捕捉到了它的存在，並很好的揭開了它的神秘面紗。偉大的的麥克斯韋實現了電力和磁力的統一，實現了一次科學大飛躍。電力和磁力統稱電磁力：運動的電荷相互間除了有電力作用外，還有磁力的相互作用，光子是傳遞電磁力的媒介。磁力實際上是電力的一種表現。我們生活中遇到的大部分力是電磁力的表現，比如沙發的彈力。
  • 銀河系正在宇宙中高速移動,未來和仙女座星系碰撞,人類怎麼辦?
    我們都知道地球不僅僅在自轉，同時也在圍繞著太陽公轉，而太陽也沒有閒著，它是巨大銀河系的一個微小組成部分，也在圍繞著銀河中心的引力源旋轉著，引力讓星系達成了美妙的平衡，在銀河系中存在至少三千億個恆星，它們都在圍繞著銀河系的「銀心」運動著。那麼銀河系在宇宙空間中，是靜止不動的嗎？
  • 四種基本力量電磁力,強力,弱力,引力
    四種基本力量:電磁力，強力，弱力，引力。而愛因斯坦認為，最基本的力量可以用經典力學來描述，即所謂的經典場。而量子力學的基本問題是否與經典力學完全相同？對電子來說，雖然速度微小到能以接近光速傳播，但有著一套電勢能平面，就能表達出電子相對於空間中的一維問題時的某些規律。基於這個理論，量子力學主要的矛盾在於這個問題一定有一個解，而愛因斯坦認為並沒有。(我就問有嗎?你會相信量子力學這個xx嗎?)因此量子力學的矛盾在於根本沒有給出電子能量和運動速度之間直接的一一對應關係。問題又回到經典力學上了。
  • 引力是自然界四種基本力中最弱的,為何我們感覺如此重要?
    說引力最弱，是相對於其他三種力而言的，相對於電磁力，強核力和弱核力，引力確實很弱，地球如此大的質量產生的引力，人類就能輕而易舉擺脫地球的引力飛向太空。你隨手在路上撿起一塊石頭，就能很輕鬆扔的很遠！而對於強核力和弱核力來說，微觀粒子要想擺脫彼此之間的束縛是非常困難的，比如說太陽的核聚變的條件如此苛刻就顯示出了強核力的恐怖，太陽核心溫度高達1500萬攝氏度，3000億個大氣壓才能克服強核力！強核力也是自然界最強的一種力量！引力如此之弱，為什麼我們感覺很重要呢？
  • 自然界中四種基本力
    大自然中有四種不同的「力」，除了最廣為人知的引力和電磁力之外，還有兩種是「強力」和「弱力」，這四種目前發現的基本作用力，宇宙中已知的一切，都由它們主宰。引力相互作用作用，在宇宙的大尺度上無處不在，它是刻畫星體運動的基本規律，比如大家熟知的太陽、地球和月亮之間的關係；當然，從大的行星運行到微小的蘋果墜落，引力之存在，與生活息息相關。
  • 直徑1毫米的黑洞能有多恐怖,專家:它會改變整個星系的構造
    在宇宙中，最神秘的天體可能就是黑洞了。通常我們認為這種能夠吸引一切的天體是非常巨大的，但其實不然，黑洞也是可以分不同等級的。比如專家就預言了微型黑洞的存在。它的直徑甚至可以達到1毫米那麼小。黑洞具有超強引力的原因是因為它的質量非常大，其質量非常大的原因在於它的體積非常小，通常黑洞的中心只不過是一個非常微小的點，甚至我們可以極限的認為，這個點是沒有體積的。通常黑洞需要由能形成超新星的超大恆星形成。但是從理論上說，如果我們能夠模擬出類似大爆炸初期的超高能量，我們就有可能通過超高能的粒子撞擊製造出一個微型黑洞。這就是為何有些專家反對建造更強大的對撞機。
  • 四種作用力中最弱的引力,為何能坍縮出宇宙無敵的黑洞?
    但我們可以通過它周圍明亮的吸積盤來間接確定它的存在，黑洞依靠的強大引力，為什麼卻說它是四大基本作用力中最弱的？四種基本力分別是引力、弱核力、強核力和電磁力。強核力聽名字應該能看出來它是世界上已知的力中最強的一種，能夠把構成質子和中子的夸克結合在一起，也能把原子核中的質子和中子結合在一起。如果用我們的技術把一個原子粉碎，或者把原子核分開或融合，目前只有兩種辦法.
  • 大家一起來聊聊四種基本力的統一問題
    我先說說四種基本力的基本特徵自然界中存在著四種最基本的力，分別是引力、弱核力、電磁力和強核力。這四種力囊括了自然界中幾乎所有的力學現象。引力作用於物質的質量屬性之上，主要表現在天體的演化、結構的維持、天體之間的吸引，和宇宙結構的維持，但在微觀世界，它表現並不突出；弱核力與中微子或磁距有關，參合在粒子的衰變當中；電磁力作用於電荷之間，是形成普通物質結構的基礎，光子是電磁力的傳播粒子；
  • 為什麼宇宙會有四種基本力?它們能夠統一嗎?未來之路很艱辛
    當我們完全掌握了四種基本力之後，大自然中的一切就由我們來掌握，宇宙中的一切奧秘也就不再神秘，通過四種基本力，我們可以操控宇宙的一切，那個時候人類就是宇宙之神。在四種基本力中，引力是我們最為熟悉的，人類走進科技時代之後，科學家最先探索研究出來的也是引力。牛頓的萬有引力定律就是對引力的一個基本說明。